汽车发动机增压系统

代数式开绿灯

汽车发动机增压系统

涡轮增压和机械增压，是汽车发动机增压的两大方式。不同的结构类型，让两种发动机有着不同的性格。两者的工作原理有着怎样的异同？

（一）涡轮增压篇

涡轮增压以废气为动力带动两个涡轮为发动机提供更多的空气，但是涡轮增压这种形式又有什么样的特点、亮点、优点、缺点呢？

1、充分发挥发动机动力

提到发动机提升动力，首先想到的就是涡轮增压。没错，这是最常见的形式。加一个涡轮，车上的涡轮可以将进气压力提升至0.5-1bar（表压），将动力大幅度甚至成倍的提升，这个诱惑力很大。而赛车上的涡轮增压值则更高，可以几倍提升原始排量发动机的动力。

2、一定程度的节油功效

而涡轮增压最大亮点即是将尾气动力充分利用，在做功行程之后，发动机排出的尾气仍有一定动能和热量，直接排出未免有些浪费，涡轮增压器正好可以吸收这部分能量，以弥补进气时的“泵气损失”。而且尾气在经过涡轮之后，温度会有一定幅度下降，这不单纯是将内能传递给涡轮，很大程度是将内能向动能转化的过程。这就进一步利用了燃油产生的能量，优化了能耗。

3、工作特点

涡轮增压发动机上，涡轮不是始终运转的，在低速时，涡轮不介入，相当于相同排量的自然吸气发动机（甚至更低一些，因为压缩比降低了）。而在1500-2000转速时介入，强大扭矩随即输出，所以在2000-3000转时就会得到最大扭矩，相当于排量增加，此时发动机就会很“有劲儿”，不用狠踩油门，超车和加速依然可以很容易，而且因为此时转速并不高，活塞往复次数也不多，摩擦降低，油耗自然表现优异。而涡轮增压的节油效果不仅于此，在涡轮不介入时的低转速下，发动机处于相对较低的功率，这在怠速运转，低速起步和中速巡航时，相当于一台小排量发动机，油耗自然可以控制了。

4、使用保养

正因为涡轮不是一直在工作，所以有无涡轮，发动机是两个性格的，尤其是在低转速加速时，不会立即得到最大动力，而是经过短暂的转速提升后，涡轮介入，动力陡增，显得很突兀，让人觉得不是很舒服，这就是涡轮增压发动机的一大通病——“涡轮迟滞”，这在早期涡轮增压发动机，以及采用了大号涡轮的赛车、改装车上非常明显。

涡轮增压器的工作环境：发动机排出的尾气有700~900℃，全部吹到涡轮上，而另一端压气涡轮那边每分钟十几万甚至更高的转速的涡轮强烈搅动空气，除将空气压缩而产生的热量之外，空气摩擦产生的热也不容小觑，加上另一边废气的热量，整个涡轮的温度都非常高，而且因为六位数的转速，涡轮轴承不同于一般滚珠轴承而采用在润滑油中浮动的行驶，如果没有良好的散热和润滑，这只涡轮很快就会挂掉，并且因为早期涡轮油封不够理想而烧机油。这些诸多因素都影响到了涡轮增压，这就是为什么涡轮增压车型要用高级别的机油，为什么早期车型在冷启动和停车时要低速运转的原因。

5、技术改进

其实当前的涡轮增压发动机已经没有那么“矫情”了，汽车工程师绞尽脑汁想尽一切方法来解决，VGT可变涡轮截面技术、小惯量涡轮的使用，让这种感觉不再明显，停车冷却循环，更高级别的加工工艺等，让这些常见的弊病都已经大为改观。涡轮增压已经完全适应了这个社会，而不是孤傲的杵在风口浪尖了。

（二）机械增压篇

同涡轮增压一样，机械增压也是通过增加发动机的进气量而提升引擎的动力。不过没有涡轮增压那么暴躁，是一种很稳健的力量。

1、工作原理

机械增压的压气机直接取自发动机的动力，也就是说只要发动机一启动，机械增压就在运转，只要车辆开始前进，驱动车辆的就是已经被机械增压增强了的动力，此时的发动机，相当于扩大了排量，在低速时，机械增压比涡轮增压有更好的表现。

而且动力提升幅度，是和节气门的开度同步的，不会像涡轮增压一样，有个明显的发力点。这就可以通过油门精确的控制车速，在操控表现上机械增压更占优势。

2、工作特点

由于机械增压器没有排气的事儿，所以工作环境温度不高，也因为没有高速涡轮形成的扰流，增压后的空气温度也不高。而且压气机最高转速“仅”为20000-30000转，且没有太高的温度，所以对润滑和冷却也没有太高的要求，工况也就更稳定。

不过机械增压是要消耗引擎动力的，所以从这方面看，经济性略低一些。而且单级压气机增压幅度有限，在高转速时增压的难度几何增加，形成瓶颈。一般机械增压器增压幅度在0.6-1.2bar左右，最高不过1.5bar，而涡轮增压很容易达到1.5bar。但这不算什么问题，使用机械增压的车型往往都突出平顺性而对动力的提升没有过分的要求，1bar的增压已经足够了，很多车型都在0.5左右，而且机械增压只不过是为了改善进气环境充分发挥发动机性能而已。虽然浪费一些动力，但是让动力提前输出也可以将功补过，平衡油耗。

3、机械增压三种类型

机械增压器的压气机有罗茨、双螺杆和离心式三种形式，其中离心式压气机造型和原理非常类似半个涡轮增压器，除了实时响应之外其他效果与涡轮增压无疑，接下来着重介绍罗茨与双螺杆压气机的异同。

早年间机械增压器使用的是罗茨鼓风机，采用容积泵结构设计作为压气形式。身形重，噪声高是它的一大特点，所以只用在大型柴油机，以及追求起步加速的0-400加速比赛上。

后来诞生了双螺杆结构的压气机，较小的造型和噪音使其成为机械增压阵营中的新生力量，良好的密闭性和内部压缩特点使其性能表现优异，但较为精细的结构，和运行时的摩擦也制约了双螺杆式机械增压的发展。

目前的压气机大有将罗茨式与双螺杆式统一的趋势，罗茨压气机的转子采用了双螺杆的式样，让气流更平缓一些（相当于之前介绍的直齿齿轮和斜齿齿轮的区别），双螺杆压气机也采用了罗茨式的同步运转方式，降低直接接触带来的摩擦。但两者仍有区别。

罗茨压气机的气流是由上部进入，然后流入缸壁和转子下方组成的相对密闭的气室，两个转子旋转并减小气室空间，将空气向下挤出。这个过程中，气室内压力与压气机后方一致，故属于外压缩方式，有时会因气压的波动引起喘振，并因为两个转子并不是紧密结合，压气效率不高。

而双螺杆压气机的空气是进入两个螺杆轴与缸壁密封的空间后，随着两个螺杆的啮合（非直接接触但缝隙极小），空间逐渐减小，当压缩到一定程度时，由另一侧的出口排出，这个过程中，空气已经明显压缩，所以属于内压缩方式，气流在排出时更为顺畅。

目前大部分机械增压车型多为罗茨式压气机，而部分高性能车及改装零件厂商则倾向双螺杆压气机。

伊顿TVS机械增压器转子，虽为双螺旋式样，但仍为罗茨结构

双螺杆机械增压器，两个转子啮合非常紧密

4、两个关键部件

A）泄气阀

为了不让增压器的压力过大而造成发动机的失控，必须有一个部件来限制最大压力，这就是泄气阀，目前的泄气阀可以通过ECU的信号来调节增压值。而在涡轮增压车型上，泄气阀还有其他作用，当发动机在高转速时收油，此时节气门开度变小，但涡轮因为惯性不能立即停止因而继续向发动机输入高压空气，如果不将这种情况加以控制，会损害涡轮和发动机，所以必须将此时产生的增压效果予以疏散，这就是泄气阀在涡轮增压发动机上的必要性。

左下方圆柱形装置及连杆即泄气阀

B）中冷器

由理想气体定律得出，气体在压缩时内能会增加，也就是温度升高，而同样气压下，气体密度会因温度升高而降低，所以将压缩后的高温气体降温，可以进一步的增加空气流量，而中冷器的作用就是将空气在进入气缸前降温，使发动机更多的吸入空气，并避免爆燃。经过机械增压之后的空气温度可以达到100℃，经过涡轮增压之后的温度就更高了，所以中冷器是个很有必要的部件。

（三）谁能跑过谁？

增压机构，增加了很多动力，但是否可以大幅提升车速呢？我们分析下：

机械增压从一开始就将动力放大，所以起步时机械增压胜；涡轮增压一开始有点懒，但转速足够大时，暴躁的涡轮绝不示弱，凭着较高增压值在中段扳回一局；而自然吸气就不行了吗？当然不是。在转速较高时，机械增压的压气机的阻力会变大，变得很大，非常大，乃至要消耗1/4的动力，提升出来的动力此时也被自身消耗了；涡轮增压也不容乐观，虽然不需发动机的动力，但废气涡轮和扭曲的排气线路大大增加了排气压力，一样拖了后腿。而此时，自然吸气发动机在此时没有太大的负担，终于笑到了最后。

当然，以上三种情况只是虚拟的场景并非绝对情况，但同样功率的三种发动机确实有着上述的趋势。不过正常情况下很少有人踩到红线玩儿命跑，合理的使用扭矩区域，配以合适的档位，老老实实的行驶才是真正的生活，这也是增压装置真正带来的便利。

美日欧车系使用增压情况

曾经很长一段时间，很多欧系车出于经济性的考虑，乐于使用涡轮增压，典型代表即为大众、奥迪、沃尔沃、萨博。其中萨博是涡轮增压汽车的鼻祖，而大众、奥迪则较早的让国人体验了

涡轮增压的喜怒哀乐。

美国人一直推崇大排量，对增压不太感冒，即便是选择，也更倾向直来直往的机械增压。

日系车型有岛国特有的地理环境，民用车型使用五花八门的进气技术却偏偏不加增压，准赛车和改装界则重型涡轮大行其道，经常将动力翻倍。

而目前的增压形式已经没有“流派”的划分，一向看重机械增压的奔驰转向涡轮，看重自然吸气的宝马在世界形势下不免叹息，也玩儿起了涡轮，而德国大众，最近却将转向机械增压，并和宝马涡轮增压发动机一起获得十佳发动机称号。

奔驰曾经是机械增压的拥有者

奔驰C级车尾，KOMPRESSOR为机械增压德文翻译，而目前广泛装备的CGI发动机都采用了涡轮增压

宝马也进入了涡轮时代

而今的大众、奥迪开始追求机械增压了

因此我们不能说那种增压形式更好，不同的定位会有不同的选择。但增压发动机在车辆中比重的增加确是客观存在的。随着汽车技术的发展，增压发动机那些娇气的毛病已经减轻或者治好了，所以用户大可不必对其心惊胆战，毕竟现在很少有人会抱怨涡轮增压曾经的那些问题了。